ДЕФЛЕКТОР ДНИЩА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ, КАМЕРА СГОРАНИЯ С ТАКИМ ДЕФЛЕКТОРОМ И СНАБЖЕННЫЙ ТАКОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/50 

Настоящее изобретение относится к технической области камер сгорания газотурбинного двигателя. В частности, оно относится к днищу камеры. Оно, также относится к газотурбинному двигателю, снабженному такой камерой сгорания.

Далее термины «аксиальный», «радиальный», «поперечный» относятся соответственно к аксиальному направлению, радиальному направлению, и поперечной плоскости двигателя, а термины «входной» и «выходной» относятся соответственно к направлению течения газов в двигателе.

Классическая диффузорная камера сгорания изображена на фиг.1, представляющей аксиальный разрез, изображающий половину камеры сгорания, при этом вторая половина камеры (не представленная на чертеже) симметрична относительно оси двигателя. Камера 110 сгорания размещена в диффузионной камере 130, которая представляет собой кольцевое пространство, заключенное между внешним кожухом 132 и внутренним кожухом 134, в которое вводится топливо, сжатый воздух, поступающий на вход (не представленного на чертеже) компрессора по кольцевому диффузионному трубопроводу 136.

Эта диффузорная камера сгорания 110 содержит две концентрических стенки: одну внешнюю 112 и другую внутреннюю 114, которые являются коаксиальными и по существу коническими.

Стенки расширяются от входа к выходу. Внешняя 112 и внутренняя 114 стенки камеры сгорания 110 связаны между собой при входе в камеру сгорания днищем камеры 116.

Днище камеры 116 является кольцевой деталью в форме усеченного конуса, которая размещена между двумя по существу поперечными плоскостями и расширяется от выхода к входу. Днище камеры 116 соединяется с каждой из двух стенок - внешней 112 и внутренней 114 - камеры сгорания 110. Днище камеры 116 имеет небольшую конусность. Оно снабжено инжекционными системами 118, через которые проходят инжекторы 120, подводящие топливо к входу камеры сгорания 110, где происходят реакции горения.

Эти реакции горения распространяют тепло от выхода к входу в направлении днища камеры 116. Таким образом, при работе днище камеры подвергается воздействию высоких температур. Для его защиты между камерой сгорания и стенками днища камеры размещают термически разделенные экраны, называемые также дефлекторами 122. Эти дефлекторы 122, один из которых представлен на фиг.3, являются практически плоскими пластинами, закрепленными пайкой на дне камеры 116 с центральным отверстием 122 для прохода инжекционной системы. Они содержат две боковых низких стенки 122b и 122с вдоль радиальных ребер, повернутых к днищу камеры, и две отбортовки 122е и 122f для направления воздуха вдоль поперечных бортов, повернутых к камере сгорания и образующих полости между стенками 114 и 112, внутренней и соответственно внешней, камеры. Дефлекторы охлаждаются струями охлаждающего воздуха, попадающего в камеру сгорания 110 через охлаждающие отверстия 124, выполненные в днище камеры 116. Воздух, формирующий эти струи, течет от входа к выходу, направляемый обтекателями 126 камеры, и проходя через охлаждающие отверстия к днищу 116 камеры, воздействует на входную поверхность дефлектора 122. Воздух затем направляется внутрь и наружу из, камеры сгорания для образования охлаждающей пленки стенок 114 и 112 соответственно.

Такое направление вдоль дефлекторов обеспечивается радиально ориентированными боковыми низкими стенками.

Однако воздух может проникать между двумя соседними дефлекторами и попадать в камеру сгорания, что нарушает процесс горения. Такие нарушения загрязняют окружающую среду, и их следует избегать. В действительности, параметры выброса загрязняющих веществ - СО и СНх - можно уменьшить паразитным введением холодного воздуха частично в режиме замедленной работы двигателя, когда выбросы являются наибольшими.

Подход, раскрытый в патенте US 4843825, являющемся ближайшим уровнем техники, состоит в направлении воздушного потока, проходящего через дефлекторы так, чтобы он не взаимодействовал с пламенем, выходящим из центрального отверстия каждого дефлектора напротив дефлектора. Для этого, радиальное ребро дефлектора содержит на части своей длины соответствующую выемку для отвода воздушного потока, проходящего в зазор между ним и соседним дефлектором таким образом, чтобы он проходил мимо устья пламени.

Согласно подходу, используемому в настоящем изобретении, боковые низкие стенки, направляющие воздушный поток вдоль дефлекторов выполняют дополнительно герметизирующую функцию в радиальном направлении. Находясь в контакте с дном камеры или будучи отделенными от него минимальным зазором, указанные стенки препятствуют прохождению охлаждающего воздуха между дефлекторами и нарушению процесса горения.

В других конструкциях двигателей, где газовый поток является, в основном, сходящимся между выходом из компрессора и входом в турбину, используют камеры сгорания, называемые конфузорными, внешние и внутренние стенки которых наклонены в направлении от выхода к входу, а не от входа к выходу, как в упомянутых выше камерах сгорания, называемых диффузорными. Такие конфузорные камеры сгорания могут иметь конусный угол больший, чем конусный угол диффузорных камер сгорания.

Значительный наклон камеры сгорания влияет на конусообразность днища камеры и на положение дефлекторов относительно днища камеры. Такая камера сгорания частично изображена на фиг.2 в аксиальном разрезе. На этом чертеже изображено аксиальное направление 100, параллельное оси газотурбинного двигателя, главное направление 200 камеры сгорания 210 и угол α между этими двумя осями 100, 200. Из-за значительного наклона камеры сгорания 210, днище камеры 216 имеет угол конусности больший, чем днище конфузорной камеры сгорания. Это сказывается на расстоянии между днищем камеры и плоскими дефлекторами в случае, когда важен не только наклон днища камеры сгорания 216, но и меньшее количество инжекторов 220, и/или чтобы камера сгорания 210 имела бы малый диаметр.

Геометрия днища камеры может затруднить посадку и необходимые допуски между стенкой днища камеры и дефлекторами.

Таким образом оптимальная работа камеры не может быть более обеспечена. В связи с тем, что изменение зазора между дефлекторами, с одной стороны, и дефлекторами и днищем камеры, с другой стороны, является достаточно важным, решение об установке боковых низких стенок вдоль радиальных бортов дефлекторов больше не является удовлетворительным.

Целью настоящего изобретения являеться решение этой проблемы.

В соответствии с изобретением изготавливают дефлектор днища камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащий часть стенки с отверстием для прохода инжекторной системы камеры сгорания, два продольных ребра и два поперечных ребра, характеризующийся тем, что, по меньшей мере, одно из продольных ребер содержит стыковую планку, образующую посадочное место вдоль упомянутого ребра для соответствующего продольного выступа или ребра соседнего дефлектора для обеспечения плотного соединения между упомянутым ребром и ребром соседнего дефлектора.

Решение по изобретению состоит, таким образом, в том, чтобы образовать герметичное пространство между дефлекторами, не зависящее от геометрии камеры сгорания и, в особенности, днища, и обеспечить возможность сглаживания размерных отклонений, связанных с работой камеры между режимом замедления и полного газа.

Были предложены различные решения:

- Посадочное место сформировано уступом в стенке.

- Посадочное место образовано выемкой.

- Поперечные ребра содержат часть искривленной стенки, при этом посадочные места выполнены вдоль продольных ребер упомянутой искривленной части.

- Дефлектор содержит стыковую планку вдоль одного продольного ребра и ребро без стыковой планки вдоль другого продольного ребра, при этом два ребра являются взаимно дополняющими для соединения с ребром другого такого же рядом расположенного дефлектора.

- Дефлектор содержит стыковую планку вдоль двух продольных ребер.

- Дефлектор содержит два продольных ребра, дополненных стыковыми планками.

Настоящее изобретение касается также кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей внешнюю стенку, внутреннюю стенку, стенку, связывающую обе стенки и образующую днище камеры сгорания/и множество дефлекторов по изобретению, с частью стенки, параллельной днищу камеры, и вставленных в днище.

В соответствии с вариантами осуществления:

- Все дефлекторы идентичны или

- Дефлекторы со стыковыми планками чередуются с дефлекторами без стыковых планок.

- Днище камеры содержит радиальные канавки, образующие воздушные зазоры между днищем камеры и стыковыми планками.

- Камера сгорания является камерой конфузорного типа.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- Фиг.1 изображает в аксиальном разрезе половину известной камеры сгорания диффузорного типа;

- Фиг.2 изображает в аксиальном разрезе половину известной камеры сгорания конфузорного типа;

- Фиг.3 изображает известный дефлектор, используемый для тепловой защиты стенки днища камеры сгорания;

- Фиг.4 изображает вид изнутри известной камеры сгорания с двумя расположенными рядом дефлекторами для тепловой защиты камеры по изобретению;

- Фиг.5 изображает дефлекторы по фиг.4 с другой стороны;

- Фиг.6 изображает деталь стыковой планки дефлекторов по фиг.4 и 5;

- Фиг.7 изображает вариант осуществления уплотнения между соседними дефлекторами;

- Фиг.8 изображает с другой стороны дефлекторы по фиг.7;

- Фиг.9 изображает деталь стыковой планки дефлекторов по фиг.7 и 8;

- Фиг.10 изображает радиальную канавку, выполненную в стенке днища камеры, для обеспечения воздушного зазора между стенкой днища камеры и стыковой планкой, связывающей два соседних дефлектора;

- Фиг.12 изображает другой вариант осуществления стыковой планки на виде изнутри из камеры сгорания;

- Фиг.13 изображает ребро дефлектора по фиг.12 с продольным выступом;

- Фиг.14 изображает деталь стыковой планки по фиг.12 и 13.

Обратимся теперь к фиг.4-6, изображающим первый вариант осуществления уплотнения между двумя дефлекторами 10 и 10' из огнеупорного материала, расположенными встык на днище камеры. Дефлектор 10 содержит плоскую часть 10а с центральным отверстием 10b, соответствующим не представленной на чертеже инжекционной системе. На фиг.5 отверстие обрамлено ободком 10b1 с плечиком для крепления в днище камеры. Дефлектор содержит два продольных ребра, ориентированных в радиальном направлении относительно оси двигателя, когда он установлен на место. Продольное ребро 10с и ребро 10а являются прямоугольными. Дефлектор 10 содержит также два поперечных ребра 10е и 10f, скругленных вместе для отслеживания кривой камеры сгорания и искривленных в направлении внутрь камеры сгорания для направления воздуха. Ребро 10с, изображенное слева на фиг.4, является прямолинейным, отслеживает радиальный профиль дефлектора. Ребро 10а другой стороны содержит уступ, задний по отношению к видимой поверхности на фиг.4, образованный продольным выступом 10d1, который продолжает заднюю поверхность стенки дефлектора. Этот уступ образует продольное посадочное место 10d10 для ребра 10'с соседнего дефлектора 10'. Указанный дефлектор 10' идентичен дифлектору 10. Он содержит плоскую часть 10'а, два продольных ребра 10'с и 10'd и два поперечных скругленных и искривленных ребра 10'е и 10'f. Ребро 10'd ссодержит один продольный выступ 10'd1, закрывающий посадочное место 10'd10.

В примерах по фиг.4-6 дефлекторы выполнены идентичными, размещены по контуру днища камеры и закреплены ободками отверстий для инжекционных систем. На один дефлектор приходится одна инжекционная система. Стыковая планка, образованная продольным выступом 10d1 каждого из дефлекторов, перекрывает ребро 10'с соседнего дефлектора 10' по ширине, достаточной для того, чтобы приспособиться к изменениям объемного расширения камеры сгорания. Каждое посадочное место 10d10, 10'd10 предназначено для удержания ребра 10с, 10'с соседнего дефлектора таким образом, чтобы уменьшить либо полностью исключить утечки между двумя дефлекторами при любом режиме работы двигателя.

В примерах осуществления по фиг.4-6 дефлекторы являются идентичными, но решение включает также случай, когда первый дефлектор содержит стыковую планку вдоль двух продольных ребер, взаимодействующих с простыми ребрами второго дефлектора без стыковой планки. Эффективность является такой же. Монтаж, однако, отличается и требует изготовления двух соответствующих деталей.

Фиг.7, 8 и 9 представляют первый вариант со стыковой планкой в выемке, которая увеличивает герметичность по сравнению с предыдущим решением.

Видны дефлекторы 20, 20'с плоской стенкой 20а, 20'а, центральное отверстие 20b, 20'b два продольных ребра 20с, 20'с и 20d, 20'd и два скругленных и искривленных ребра 20е, 20'е и 20f, 20'f. Продольное ребро 20d содержит продольный выступ 20d1, параллельный стенке дефлектора и образующий посадочное место 20d10g в виде выемки. Эта выемка предназначена для взаимодействия с ребром 20'с соседнего дефлектора. Здесь ребро 20'с образует задний уступ для того, чтобы войти в выемку 20d10g. Зазор является достаточным для объемного расширения камеры сгорания при различных режимах двигателя, с сохранением при этом герметичного контакта между ребром 20'с и боковой поверхностью выемки 20d10g.

Как и в предыдущем решении, все дефлекторы могут быть идентичными или чередующимися: один со стыковыми планками на обоих ребрах и другой с простыми ребрами, взаимодействующий с выемками ребер со стыковыми планками.

Фиг.10 и 11 изображают усовершенствование между дефлекторами и днищем камеры. Днище камеры 2 содержит радиальную канавку 2r в зоне размещения стыковой планки соединения дефлекторов. Эта канавка 2' позволяет обеспечить достаточный воздушный зазор, когда стыковые планки имеют толщину большую, нежели зазор между плоской частью 20а дефлектора и стенкой днища камеры.

На фиг.12, 13 и 14 представлен другой вариант.

Изображены дефлекторы 30, 30' с плоской стенкой 30а, 30'а, центральное отверстие 30b, 30'b, два продольных ребра 30с, 30'с и 30d, 30'd и два скругленных и искривленных ребра 30е, 30'е и 30f, 30'f. Два продольных ребра 30с, 30d; 30'с, 30'd содержат каждый продольный выступ 30d, 30d1; 30'c1, 30'd1, параллельный стенке дефлектора, и образуют посадочное место 30c10g и 30d10g, 30'c10g, 304d10g в форме выемки. Эти выемки взаимодействуют с соответствующим продольным металлическим выступом 31. Таким образом, продольный выступ размещен в соседних выемках 30d10g и 30'c10g. Зазор достаточен для расширения камеры сгорания при различных режимах двигателя, сохраняя герметичный контакт между ребром 20'с и боковыми поверхностями выемки 20d10g.

Камера сгорания газотурбинного двигателя выполнена кольцевой и содержит внешнюю стенку, внутреннюю стенку, стенку, связывающую обе стенки и образующую днище камеры, и, по меньшей мере, два дефлектора, вставленные в днище камеры. Каждый дефлектор содержит часть стенки, параллельную днищу камеры с отверстием для прохода инжектора камеры сгорания, два продольных ребра и два поперечных ребра. По меньшей мере, одно из продольных ребер первого дефлектора содержит стыковую планку, образующую посадочное место вдоль упомянутого ребра, в которое вставлены соответствующий продольный выступ или ребро второго примыкающего дефлектора для уплотнения соединения между двумя ребрами и обеспечения возможности их взаимного скольжения при объемном расширении стенки днища камеры сгорания. Изобретение направлено на обеспечение оптимальной работы камеры сгорания на различных режимах работы двигателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Камера сгорания газотурбинного двигателя, выполненная кольцевой и содержащая внешнюю стенку, внутреннюю стенку, стенку, связывающую обе стенки и образующую днище камеры, и, по меньшей мере, два дефлектора (10, 20, 30), вставленные в днище камеры, причем каждый дефлектор содержит часть стенки (10а, 20а, 30), параллельную днищу камеры с отверстием для прохода инжектора камеры сгорания, два продольных ребра (10c, 10d; 20с, 20d; 30с, 30d) и два поперечных ребра (10e, 10f; 20e, 20f; 30e, 30f), отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно из продольных ребер первого дефлектора (10, 20, 30) содержит стыковую планку (10d1; 20d1; 30d1, 30'c1), образующую посадочное место (10d10; 20d10g; 30d10g; 30'c10g) вдоль упомянутого ребра, в которое вставлены соответствующий продольный выступ (31) или ребро (10'с; 20'с) второго примыкающего дефлектора (10'; 20'; 30') для уплотнения соединения между двумя ребрами и обеспечения возможности их взаимного скольжения при объемном расширении стенки днища камеры сгорания.

2. Камера сгорания по п.1, в которой посадочное место указанного первого дефлектора образовано уступом стенки.

3. Камера сгорания по п.1, в которой посадочное место указанного первого дефлектора образовано выемкой (20d10g; 30d10g; 30'c10g).

4. Камера сгорания по п.1, в которой поперечные ребра (10е, 10f; 20e, 20f; 30e, 30f) дефлекторов содержат часть искривленной стенки, при этом посадочные места размещены равномерно вдоль продольных ребер упомянутой искривленной части.

5. Камера сгорания по одному из пп.1-4, в которой все дефлекторы идентичны и содержат стыковую планку (10d1; 20d1) вдоль продольного ребра и продольное ребро (10с; 20с) без стыковой планки вдоль другого продольного ребра, при этом оба ребра являются взаимодополняющими для соединения с ребром другого такого же рядом расположенного дефлектора.

6. Камера сгорания по одному из пп.1-4, в которой все дефлекторы идентичны и содержат посадочное место, образованное выемкой (20d10g; 30d10g; 30'c10g) вдоль двух продольных бортов, причем металлический продольный выступ заходит в указанные выемки.

7. Камера сгорания по одному из пп.1-4, в которой дефлекторы первого типа, содержащие стыковую планку вдоль двух продольных ребер, чередуются с дефлекторами второго типа, содержащими два дополнительных продольных ребра стыковых планок дефлекторов первого типа.

8. Камера сгорания по одному из пп.1-4, в которой днище камеры сгорания содержит канавку (2r), образующую воздушный зазор между днищем камеры и стыковыми планками дефлекторов (10, 20, 30).

9. Камера сгорания по одному из пп.1-4, выполненная кольцевой.

10. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания по пп.1-9.